Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach z

Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach z

PODSTAWY AUTOMATYKI
- laboratorium
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na
prowadnicach z wykorzystaniem sterownika
VERSA MAX”
Instrukcja laboratoryjna
Opracował : mgr inŜ. Łukasz Tabor
„Człowiek - najlepsza inwestycja”
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Warszawa 2009
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi rodzajami sterowania
automatycznego: w układzie otwartym i w układzie zamkniętym oraz doświadczalny dobór
nastaw regulatora PID w układzie zamkniętym przy wykorzystaniu sterowników VERSA
MAX firmy GE Fanuc oraz systemu SCADA firmy Wonderware – InTouch.
1. WPROWADZENIE
We współczesnych instalacjach przemysłowych do sterowania procesami powszechnie stosuje się sterowniki programowalne. Posiadają one moduły wejść/wyjść zarówno analogowych jak i cyfrowych, które zbierają informacje z obiektów oraz wysyłające sygnały
sterujące. Sterowanie jest realizowane zgodnie z algorytmem dobranym przy wykorzystaniu
szerokiego wachlarza funkcji dostępnych w bibliotekach sterownika podczas programowania. Do obserwacji zachowania zmiennych procesowych wykorzystuje się stacje inŜynierskie,
którymi mogą być komputery klasy PC czy panele sterujące z uruchomionym systemem
SCADA.
2.OPIS STANOWISKA
Na stanowisku laboratoryjnym znajdują się dwa silniki indukcyjne M1 i M2 (zasilane
przez przemienniki częstotliwości: U1 i U2). Zadanie silników polega na przemieszczaniu
poziomej belki po prowadnicach pionowych. Zamontowane wyłączniki krańcowe GC sygnalizują połoŜenie belki: GC1- górne połoŜenie, GC2 – dolne. Na rys. 1 przedstawiono schemat
elektro-mechaniczny stanowiska.
Rys. 1 Schemat elektro-mechaniczny stanowiska
2
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
Dodatkowo na wale obrotowym kaŜdego z silników zamontowano przetwornik obrotowo-impulsowy, który mierzy rzeczywistą prędkość obrotową silników. Stanowi on sygnał
sprzęŜenia zwrotnego. Regulacja w realizowana jest przez sterownik programowalny Versa
Max (oznaczony na stanowisku jako 1AZ). Porównuje on zadaną wartość prędkości SP z
prędkościami rzeczywistymi PV. Na podstawie odchyłek e = SP – PV wylicza odpowiednie
wartości sterowania, które są wysyłane do przemienników częstotliwości. W sterowniku
znajdują się dwa oddzielne bloki PID regulujące niezaleŜnie prędkości obrotowe silników
M1 i M2.
Przypadku otwartego układu sterowania do przemiennika wysyłana jest bezpośrednio
wartość prędkości zadanej
Zmiana rodzaju układu sterowania jak i zmiana nastaw dokonywana jest za pomocą
aplikacji: Modbus RTU uruchamianej na komputerze PC.
3. DOŚWIADCZALNY DOBÓR NASTAW REGULATORA PID
Metodologię postępowania podczas doświadczalnego doboru nastaw studenci poznali
na wykładzie. Umieszczono tu jedynie wzory wykorzystywane w ćwiczeniu.
Metoda Zieglera-Nicholsa
kr
Ti
Td
P
0.5kkr PI
0.45kkr 0.85Tosc PID 0.6kkr 0.5Tosc 0.12Tosc
Tab.1. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa.
Rodzaj przebiegu przejściowego
Rodzaj regulato- krkobτ/T
Ti/τ
ra
χ=0%,min tr
P
0.3
PI
0.6
0.8+0.5T/τ
PID
0.95
2.4
χ=0%,min tr
P
0.7
PI
0.7
1+0.3T/τ
PID
1.2
2
Tab.2. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej.
3
PODSTAWY AUTOMATYKI
Td/τ
0.4
0.4
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
4.1 Środowisko programowe
Po uruchomieniu programu InTouch, w oknie wyboru aplikacji naleŜy uruchomić
wcześniej przygotowaną wizualizację klikając dwukrotnie na „Modbus_RTU”.
Rys.2. Okno wyboru aplikacji
Po ukazaniu się listy okien do wyboru naleŜy wybrać „pid” oraz „trendy_biezace”,
kliknąć OK i uruchomić aplikację przechodząc w tryb RUNTIME.
4
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
Rys.3. Wybór okien wizualizacji
UkaŜe się panel sterowania regulatora oraz wykres trendów bieŜących. MoŜna z tego poziomu zmieniać reŜim regulatorów, nastawy punkt pracy, kierunek ruchu itp. Wyświetlana jest
takŜe aktualna wartość prędkości silników.
Po kliknięciu na wykres moŜna wybrać wyświetlane sygnały a takŜe inne parametry trendu
jak czas odświeŜania, grubość linii, zakresy itp.
Po kliknięciu przycisku „Trendy historyczne” moŜliwy jest podgląd przeszłych przebiegów.
5
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
Rys.4. Widok trendów bieŜących.
Rys.5. Widok trendów historycznych.
Poruszać się po wykresie moŜna przy pomocy strzałek i przycisków „Zoom In” i „Zoom
Out” bądź po kliknięciu na obszarze wykresu przez wybór punktu początkowego i długości
okna.
MoŜliwy jest takŜe eksport widocznych przebiegów do pliku csv.
6
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
4.2. Badanie charakterystyk statycznych
Wciśnij przycisk Start zmieniaj wartość wyjścia regulatora (CV – jest to jednocześnie wartość wejściowa falowników) w trybie manual. Zanotuj prędkości obrotowe
(PV) dla róŜnych wartości wyjściowych regulatorów.
CV[obr/min]
0
50
100
150
200
250
300
350
400 450 500
PV1[obr/min
]
PV2[obr/min
]
Tab.3. Charakrerystyki statyczne
4.3. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą Zieglera-Nicholsa
Dla SP = 150 obr/min z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź
eksperymentalny dobór nastaw regulatora wg. Reguły Zieglera-Nicholsa. Wzmocnienie
krytyczne i czas oscylacji wyznacz w punkcie największego wzmocnienia dynamicznego
obiektu.
UWAGA! Pomimo Ŝe oba silniki mają takie same teoretyczne parametry, w rzeczywistości mamy tu
do czynienia z dwoma róŜnymi obiektami oraz niezaleŜnymi układami regulacji. Z tego
powodu wyznaczone parametry mogą się róŜnić dla kazdego regulatora. Ponadto z
czasem w wyniki róŜnej jakości regulacji dla kaŜdego silnika połoŜenie belki moŜe coraz
bardziej odbiegaŜ od poziomego co grozi wypadnięciem z prowadnic lub zaklinowaniem.
Aby temu zapobiec naleŜy co jakiś czas przechodzić na ręczne sterowanie silnikami
oddzielnie z poziomu panelów falowników dostępnych na stanowisku w celu
wypoziomowania.
M1
M2
Kkr
Tosc[s
]
Wyznaczone nastawy regulatorów:
PID1
PID2
1
regulator
Kp
Ki
Td
Kp
Ki
P
PI
PID
Tab.4. Nastawy regulatora wg. reguły Zieglera-Nicholsa
1
ki=kp/Ti
7
PODSTAWY AUTOMATYKI
Td
-
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
4.4. Wyznaczanie nastaw regulatora metodą tablicową
Z wykorzystaniem przygotowanej wizualizacji przeprowadź identyfikację obiektu.
Skok na wejściu obiektu zadaj zmieniając CV z 0 na 100 oraz z 0 na 200 obr/min. Czy
wyznaczone parametry róŜnią się ze sobą?
Transmitancja zastępcza dla skoku „0-100”:
regulator
K
Ti
Td
P
PI
PID
Tab.5. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej – skok „0-100”.
Transmitancja zastępcza dla skoku „0-200”:
regulator
K
Ti
Td
P
PI
PID
Tab.6. Nastawy regulatora wg. metody tabelarycznej – skok „0-200”.
4.5. Badanie zamkniętego układu regulacji
Po wyznaczeniu nastaw (uwaga na jednostki!) i konsultacji z prowadzącym przeprowadź
test działania układu dla zmian SP:
a) z 0 na 10% PVmax
b) z 0 na 30% PVmax
c) z 30 na 50% PVmax
PVmax – maksymalna moŜliwa do ustawienia wartość SP.
Zanotuj czas regulacji oraz odchyłkę statyczną. Skopiuj otrzymane przebiegi przy pomocy
zrzutu ekranu bądź przez eksport do pliku csv.
M1
M2
regulator wariant
est[bar]
tr[s]
est[bar]
tr[s]
P
a)
b)
c)
8
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
PI
PID
a)
b)
c)
a)
b)
c)
Tab.7. Wskaźniki jakości przebiegów regulacji
5. SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA
W sprawozdaniu z ćwiczenia naleŜy zamieścić:
• Charakterystyki statyczne
o PV1(CV)
o PV2(CV)
• Kkr,Tosc oraz wyznaczone nastawy dla metody Zieglera-Nicholsa
• Transmitancję zastępczą obiektu oraz wyznaczone nastawy dla metody tablicowej
• Parametry odpowiedzi oraz przebiegi ilustrujące działanie regulatorów
• Odpowiedzi na pytania:
o Jaki charakter mają charakterystyki PV(CV)?
o Czy są one korzystne dla celów regulacji?
o Który regulator naleŜałoby zastosować w układzie?
o Jak oceniasz dokładność wyznaczenia nastaw regulatorów w obu metodach dla tego obiektu?
o Czy dla wszystkich wariantów układ był stabilny? – JeŜeli nie to jakie
mogą być powody takiego stanu?
6. PRZYKŁADOWE PYTANIA KONTROLNE
I.
II.
Transmitancja regulatorów: P, PI, PDidealny, PDrzeczywisty, PIDidealny, PIDrzeczywisty
Narysować odpowiedź ww. regulatorów na:
a) zakłócenie skokowe e = 1(t) * est
b) zakłócenie liniowo narastające e = a * t
Na odpowiedziach zaznaczyć nastawy regulatorów.
III.
Narysować odpowiedź regulatora o transmitancji G(s) = 2[1+1/(2s)] na sygnał:
9
PODSTAWY AUTOMATYKI
Ćwiczenie PA10
„Regulacja prędkości posuwu belki na prowadnicach
z wykorzystaniem sterownika VERSA MAX”
IV.
Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą Zieglera-Nicholsa (rysunek +
opis)
V.
Na czym polega dobór nastaw regulatora PID metodą tablicową – obiekt statyczny,
identyfikacja metodą odpowiedzi skokowej (rysunek + opis)
6. LITERATURA
[1].
śelazny Marek, Podstawy Automatyki, WPW Warszawa 1973
10
PODSTAWY AUTOMATYKI